Источник питания часовой интегральной схемы

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к источникам вторичного электропитания. Цель изобретения - расширение области устойчивой работы, обеспеченге устойчивого самозапуска и упрощение гехнологии изготовления. Источник содержит регулятор напряжения постоянного тока последовательного типа и подключенный к его выходу кварцевый генератор Одна часть нагрузки питается выходным напряжением регулятора, а другая - от генератора. Обратная связь осуществляется по переменному току. Введение в обратную связь разделительного конденсатора исключает зависимость режима работы транзисторов регулятора от параметров транзисторов генератора. При выбранной схеме регулятора и введении в нее, в частности , интегрирующего конденсатора предотвращается появление низкочастотных паразитных колебаний выходного напряжения постоянного тока при наличии переходных процессов в генераторе. Предусмотрена стабилизация режима усилителя обратной связи. Механизм запуска источника реализован без применения сложных цепей форсажа. Выходные технические характеристики источника питания некритичны к разбросам составных резисторов . 1 з.п.ф-лы, 3 ил. со с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 02 М 7./537

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4762321/07 (22) 17,07.89 (46) 23.06.92. Бюл. N 23 (71) Ленинградское производственное объединение "Электронприбор" (72) Б,С, Брискин, М.М, Грудников. В.Я. Синдаловский и Г.И. Черницкий (53) 621.316,722.1 (088.8) (56) Патент США N 4397563, кл. G 04 В 1/00, 1983.

Авторское свидетельство СССР

М 134156, кл. G 04 С 3/00, 1987. (54) ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ЧАСОВОЙ

ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания. Цель изобретения — расширение области устойчивой работы, обес-. печенге устойчивого самозапуска и упрощение -ехнологии изготовления. Источник содержит регулятор напряжения постоянного тока последовательного тира и

Изобретение относится к электронным приборам времени и может быть использовано для создания наручных часов на

К вЂ” МОП транзисторах с.пониженным потреблением энергии от батареи.

Известен стабилизатор напряжения питания электронных часов, состоящий из датчиков опорных напряжений на р- и и-канальных транзисторах, дифференциального усилителя, с помощью которого сравнивается напряжение стабилизатора с опорным и регулирующего транзистора, подключенного к выходу данного стабилизатора, Недостатком данного стабилизатора напряжения является отсутствие функцио„„5U„„1742971 А1 подключенный к его выходу кварцевый генератор. Одна часть нагрузки питается выходным напряжением регулятора, а другая — от генератора. Обратная связь осуществляется по переменному току. Введение в обратную связь разделительного конденсатора исключает зависимость режима работы транзисторов регулятора от параметров транзисторов генератора, При выбранной схеме регулятора и введении в нее, в частности, интегрирующего конденсатора предотвращается появление низкочастотных паразитных колебаний выходного напряжения постоянного тока при наличии переходных процессов в генераторе. Предусмотрена стабилизация режима усилителя обратной связи. Механизм запуска . источника реализован без применения сложных цепей форсажа. Выходные технические характеристики источника питания некритичны к разбросам составных резисторов. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. нальной обратной связи между выходным напряжением стабилизатора и электрическими параметрами напряжения генератора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является стабилизатор напряжения питания часовой интегральной схемы, содержащий кварцевый генератор, динамический генератор емкостного тока, опорные р- и и-канальные транзисторы, делитель частоты, резисторы, соединенные соответствующим образом.

Недостатком этого стабилизатора является то. что одним из критериев устойчивой работы генератора выбран ток потребле1742971

10 ния, который не является однозначной функцией амплитуды его колебаний.

Кроме этого, недостатком следует считать узкий динамический диапазон выходного напряжения стабилизатора, в результате чего не обеспечивается достаточно глубокая функциональная обратная связь с электрическими параметрами кварцевого генератора, Наличие специальной цепи "форсаж" также является недостатком, т.к. эта цепь обеспечивает уверенный запуск генератора путем подачи на него полного напряжения только по включении питания или начальной установки.

Следствием этого является нестабильный самопуск генератора при случайном срыве его колебаний, а также ограниченные области его устойчивой работы при изменении параметров электрической нагрузки.

Организация функциональной обратной связи между выходным напряжением стабилизатора и током потребления генератора предполагает наличие высокоомных резисторов с малыми технологическими разбросами. Причем величины этих резисторов должны коррелироваться с порогами транзисторов, входящих в схему генератора, Это накладывает дополнительные ограничения на технологические процессы изготовления схемы, Целью изобретения является расширение области устойчивой работы. обеспечение самопуска и упрощение технологии изготовления, Поставленная цель достигается тем. что в источник питания часовой интегральной схемы, содержащей выводы для подключения первичного источника питания, выводы для подключения нагрузки по постоянному току, к которым подключен вход кварцевого генератора, соединенного выходом с выводами для подключения нагрузки по переменному току, первый и-канальный транзистор, затвор которого подключен к первому выводу первого резистора, второй и третий п-канальные транзисторы, в последнем из которых подложкой соединена с истоком, второй и третий резисторы. введены два конденсатора и диод, причем первые выводы первого конденсатора и диода соединены с затвором третьего и-канального транзистора, второй вывод диода — co стоком второго и-канального транзистора и первым выводом третьего резистора, второй вывод первого резистора — с затвором второго и-канального транзистора и первым выводом второго конденсатора, первый вывод второго резистора — со стоком и затвором первого и-канального транзистора.

55 истоки и подложки первого и второго и-канальных транзисторов и исток третьего иканального транзистора — с первым выводом для подключения первичного источника питания, сток третьего и-канального транзистора — с первым выводом для подключения нагрузки по постоянному току, вторые выводы первого конденсатора, второго и третьего резисторов — с вторыми выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки по постоянному току, а второй вывод второго конденсатора— с соответствующим выводом для подключения нагрузки по переменному току.

Кроме этого, источник питания часовой интегральной схемы отличается тем, что совокупность второго и третьего резисторов выполнена в виде трех р-канальных транзисторов и генератора стабильного тока, причем затворы первого, второго и третьего р-канальных транзисторов соединены со стоком третьего р-канального транзистора и через генератор стабильного тока — с первым выводом первичного источника питания. исток и подложка третьего, а такде подложка первого и второго р-канальных транзисторов: соединены со вторым выводом для подключения первичного источника питания, а стоки и истоки первого и второго р-канальных транзисторов использованы B качестве соответственно первых и вторых выводов второго и третьего резисторов, Предлагаемое устройство отличается от известного новой совокупностью признаков, состоящей из двух конденсаторов и диода, соединенных соответствующим образом.

Введенные отличительные признаки позволяют обеспечить уверенный самопуск кварцевого генератора при срыве его колебаний, в связи с этим исключить цепь "форсаж", расширить диапазон его устойчивой работы в широком диапазоне изменения параметров электрической нагрузки и упростить технологию изготовления микросхемы, На фиг, 1 приведена принципиальная схема устройства; на фиг..2 — принципиальная схема устройства с р-канальными транзисторами, включенными по схеме токового зеркала; на фиг, 3 — принципиальная схема кварцевого генератора.

Источник питания часовой интегральной схемы (фиг. 1) состоит из кварцевого генератора 1 и его выхода 2 для подключения нагрузки по переменному току, первого конденсатора 3, выполняющего функции интегрирующей емкости, второго конденсатора 4, выполняющего функции разделительного конденсатора. первого и-каналь1742971

10

20

55 ного транзистора 10, являющегося датчиком опорного напряжения, второго и-канального транзистора 8, являющегося усилителем отрицательной обратной связи, третьего и-канального транзистора 5, выполняющего функции регулирующего транзистора; первого резистора 9 в качестве развязывающего резистора, второго резистора 11 в качестве токозадающего резистора, третьего резистора 7 в качестве нагрузочного резистора, диода 6 в качестве диода утечки, вывода 12 для подключения первичного источника питания, вывода 14 для подключения нагрузки по постоянному току общей шины 13 питания, К выходу 2 кварцевого генератора 1 подключен разделительный конденсатор 4. второй вывод которого подключен к затвору усилительного и-канального транзистора 8 и второму выводу развязывающего резистора 9, первый вывод которого объединен с вторым выводом токозадающего резистора

11 и соединен с затвором и стоком датчика опорного напряжения и-канального транзистора 10, исток и подложка которого объединены с потоками и подложками усилительного и-канального транзистора 8 и регулирующего транзистора 5 и соединены с шиной первичного источника питания

12, первые выводы токозадающего резистора 11 и нагрузочного резистора 7 подключены к общЕй шине 13, второй вывод нагрузочного резистора 7 объединен с катодом диода утечки 6 и соединен со стоком усилительного и-канального транзистора 7, а анод циода 5 объединен с первым выводом интегрирующего конденсатора 3 и соединен с затвором регулирующего транзистора 5, второй вывод конденсатора

3 подключен к общей шине, а сток регулирующего транзистора 5 подключен к шине подключения нагрузки 14. Источник питания (фиг. 2) с введенными генератором стабильного тока 18 (ГСТ) и опорным р-канальным транзистором 17 и с резисторэми 7 и 11, выполненными в виде р-канальных транзисторов 15 и 16, затворы которых объединены и подключены к выходу генератора 18, затвор и сток транзистора 17 объединены и также подключены к выходу ГСТ. а истоки этих транзисторов подключены к общей шине 13, сток транзистора 15 подключен к аноду диода утечки б, а сток транзистора 16 к затвору и-канального транзистора 10.

Кварцевый генератор (фиг. 3) содержит р-канальный транзистор 19, и-канальный транзистор 20, резистор обратной связи 21. кварцевый резонатор 22. входной конденсатор 23 и выходной конденсатор 24.

Источник питания (фиг.1) работает следующим образом, При включении напряжения питания по шинам 13 и 12 на затвор р-канального транзистора 8 через развязывающий резистор 9 подается опорное напряжение, сформированное на и-канальном транзисторе 10 в диодном включении. Величина этого напряжения определяется геометрическим размером транзистора 10 и величиной токозадающего резистора 11.

Транзистор 8 является по отношению к транзистору 10 токовым зеркалом и его размеры выбираются таким образом, чтобы он находился в предпороговой области, т.е. с малым током стока. Режим работь. зтогл транзистора можно отнести к классу В, т.е. к режиму работы практически с отсечкой тока стока. Благодаря этому затвор регулирующего транзистора 5 через обратно включенный диод б и резистор 7 оказывается подключенным к общей шине 13, что обеспечивает его открывание, Отпирание транзистора 5 приводит к тому, что практически полное напряжение питания подается на кварцевый генератор. Это приводит к его форсированному запуску. Сигнал с выхода

2 кварцевого генератора 1 через конденсатор 4 подается на затвор транзистора 8, Введение разделительного конденсатора 4 делает независимым режим работы транзисторов 8 и 5 от параметров транзисторов генератора. Отрицательная полуволна синусоидального сигнала не изменяет состояние транзистора 8, а положительная приводит к а -о отпиранию и к появлению тока стока, Таким образом, транзистор 8 выполняет функции детектирующего диода и одновременно усилителя отрицательной обратной связи, Отпирание транзистора 8 приводит к быстрому подзаряду интегрирующей емкости 3 через диод б, включенный в прямом напряжении для тока подзаряда.

Емкость 3 за несколько периодов генерируемой частоты заряжается до пикового значения амплитуды импульсов с выхода транзистора 8. что приводит к подзапиоанию транзистора 5 и повышению напряжения на шине 14. а следовательно, к уменьшению амплитуды выходного сигнала генератора. Это в свою очередь, вызовет подэапирание транзистора 8, приоткрывание транзистора 5 и увеличение напряжения на шине 14 выхода источника. При этом в связи с тем, что разряд конденсатора 3 происходит через обратное сопротивление диода 6 и высокоомный резистор 7 открывание транзистора 5 и увеличение напряжения на шине 14 будет происходить медленно. порядка 2 — 3 с. Это предотвра1742971 ет появление низкочастотных паразитных колебаний, которые могли бы возникнуть за счет переходных процессов в кварцевом генераторе. Смещение на затворе транзистора 8 формируется, как было указано выше, на и-канальном транзисторе 10, обеспечивая стабилизацию режима усилителя обратной связи, Величина резистора 9 не является критичной, т,к. он служит только для передачи опорного напряжения на затвор транзистора 8 и не должен существенно нагружать выход генератора. Резисторы 7 и

11 могут быть выполнены в виде р-канальных транзисторов 15 и 16, включенных по схеме токового зеркала, Пример реализации приведен на фиг. 2, В этом случае необходимо создание генератора стабильного тока, задающего необходимую величину тока в требуемом участке цепи. В принципе схема кварцевого генератора 1 может быть любой и выполнена на любой элементной базе. Необходимым условием является лишь зависимость амплитуды выходного наряжения генератора от напряжения питания, Это расширяет область применения источника питания.

Оценим амплитуду выходного напряжения генератора в стационарном режиме.

Для этого обозначим напряжение на шине 12 по отношению к шине 13 Е12. Ток через транзистор 10, находящийся в пологой области вольтамперной характеристики, определяется путем решения следующей системы уравнений:

l10 = 310 (U3 -VN ):

0З = Е12 — I10R», 1О где Оз — напряжение на затворе транзи1О стора 10 относительно истока;

f10 — крутизна транзистора 10;

VN — порог N-канального транзистора.

Решая эту систему уравнений. получаем

l10 =

Е г — Vw 1+4Дг R«(Eiz — Чи 1 — г

R« 2/310 R«

Транзистор 8 включен по схеме токового зеркала, поэтому ток через него определяется как

I8 = 10

/8

10 где 38 — крутизна транзистора 8.

Напряжение на затворе транзистора 5

U3 = Е12 !8н7.

Для уверенного запуска генератора 1 при отсутствии колебаний на его выходе транзистор 5 должен находиться в крутой области вольтамперной характеристики и

5 иметь сопротивление не более некоторой величины RE.

R5 < Ro, (2)

/75 (Е12 г8 R7 VN )

Неравенство (2) позволяет подобрать соотношение величины R7, R«, 610, р8 и/Ъ.

Зона регулирования выходного напряжения на шине 14 по амплитуде колебаний на выходе генератора 1 может быть примерно оценена из условия выведения транзистора 5 а пологую область вольтамперной характеристики:

U3 = Е12 !8 R7 = VN, (3)

При достаточно большой постоянной времени цепочки, составленной из конденсатора 4 и резистора 9, наибольшее напряжение н:. затворе транзистора 8 достигает величины:

03 = Е12 !10 В«+ Vm, 8 где Vm — амплитуда колебаний на выходе генератора 1, При этом 8 = Ps (Е12 — 10 R« "- %п — VN ), (4)

Из выражений (1), (3) и (4) находим примерное значение в стационарном режиме

E12 — VN

% R7

1 +4/10 R«(Е12 — ЧМ ) — 1

2/10 R«

При типовых значениях величин Е12 =

=-1,5 В; р10 и/38 =10 А/В; Я7и R» =10

40 Ом можно вычислить амплитуду колебаний на выходе генератора в стационарном режиме Vm = 0,24 В, Описанный механизм взаимодействия определяется общей отрицательной обрат45 ной связью по выходному напряжению генератора, за счет которой осуществляется динамическая стабилизация выходного на-, пряжения источника на уровне, необходимом для устойчивой работы генератора с

50 минимальным током потребления, Если в силу каких-либо причин произойдет срыв колебаний генератора, то запирающий потенциал на затворе транзистора 8 увеличится и приведет в действие меха55 низм, описанный выше, в результате чего на шине 14 появится полное напряжение питания.

Таким образом, описанные свойства отличают данное устройство от известного тем. что создан механизм запуска генерато1742971

50

55 ра без применения сложных цепей форсажа, увеличивающих оборудование. Кроме того, цепь "форсаж" обеспечивает надежный запуск генератора только в случае включения напряжения питания на шинах

12 и 13, так как только в этом случае на генератор подается полное напряжение питания Е, что существенно снижает надежность запуска генератора при случайном срыве колебаний. Таким образом, изобретение позволяет увеличить область устойчивой работы генератора в широком диапазоне изменений его электрических нагрузок, обеспечить надежный самопуск генератора как при включении питания, так и при насильственном срыве его колебаний, обеспечить некритичность выходных параметров источника питания к разбросам резисторов, входящих в устройство, что упрощает технологические процессы при изготовлении схемы.

Формула изобретения

1, Источник питания часовой интегральной схемы, содержащий выводы для подключения первичного источника питания. выводы для подключения нагрузки по постоянному току, к которым подключен вход кварцевого генератора, сое,;ненного выхо-. дом с выводами для подключения нагрузки по переменному току, первый и-канальный транзистор, затвор которого подключен к первому выводу первого резистора. второй и третий и-канальные транзисторы, в последнем из которых подложка соединена с истоком, второй и третий резисторы, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширения области устойчивой работы, обеспечения устойчивого самозапуска и упрощения технологии изготовления, в него введены два конденсатора и диод, причем первые выводы первого конденсатора и диода соединены с затвором третьего и-канального транзистора, второй вывод диода — со стоком второго и-канального транзистора и первым выводом третьего резистора второй вывод

5 первого резистора — с затвором второго иканального транзистора и первым выводом второго конденсатора, первый вывод второго резистора — со стоком и затвором первого и-канального транзистора, истоки и под10 ложки первого и второго и-канальных транзисторов и исток третьего и-канального транзистора — с первым выводом для подключения первичного источника питания, сток третьего и-канального транзистора — с

15 первым выводом для подключения нагрузки по постоянному току, вторые выводы первого конденсатора, второго и третьего резисторов — с вторыми выводами для подключения первичного источника пита20 ния и нагрузки по постоянному току, а второй вывод второго конденсатора — с соответствующим выводом для подключения нагрузки по переменному току.

2. Источник питания по п.1, о т л и ч а ю25 шийся тем, что совокупность второго и третьего резисторов выполнена в виде трех р-канальных транзисторов и генератора стабильного тока, причем затворы первогс, второго и третьего р-канальных транзисто30 ров соединены со стоком третьего р-канального транзистора и через генератор стабильного тока — с первым выводом дл подключения первичного источника питания. исток и подложка третьего, а также

35 подложки первого и второго р-канальных транзисторов соединены с вторым выводом для подключения первичного источника питания, а стоки и истоки первого и второго р-канальных транзисторов использованы в

40 качестве соответственно первых и вторых выводов второго и третьего резисторов.

1742971

1 !

С> ( сс ! (I !

1742971

1742971

35.40

50

Составитель Б;Брискин

Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор И.Муска

Редактор О.Головач

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2293 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5